含预制钻孔煤体承载破坏应变场与声发射响应真三轴试验
作者：
马衍坤1,2，李笑笑1,2，翟少彬1,2，黄勤豪1,2
单位：
1.安徽理工大学 煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台
2.安徽理工大学 矿山安全高效开采安徽省高校工程技术研究中心
01摘要
利用具有可视窗口的煤岩真三轴试验系统，开展了含不同孔径预制钻孔的煤体真三轴承载破坏试验，借助数字图像相关（DIC）和声发射（AE）分析方法，研究了煤体承载破坏过程的应变场与声发射响应规律。结果表明：含预制钻孔煤体呈现出拱形破坏裂纹，拱形裂纹区面积、声发射峰值能量及宏观裂纹数量均与孔径呈正相关。煤体承载破坏过程中，孔周煤体逐渐出现应变集中，孔壁发生掉渣、破裂现象，声发射信号开始活跃；随着应变集中程度的加剧，孔壁煤体剥落现象逐渐严重，使孔壁两侧对称出现“Ｖ”形破坏区，而“Ｖ”形破坏区底部则出现了沿最大主应力方向扩展和延伸的竖向裂纹；当孔周煤体应变集中区域逐步发展为蝴蝶形态时，钻孔上方煤体开始向钻孔空间移动，竖向裂纹则沿最大主应力方向快速扩展并向水平方向偏转，声发射信号急剧增加并达到能量峰值；竖向与水平方向裂纹交汇形成拱形裂纹，而拱形裂纹所包裹的煤体则被分割为独立块体，随后声发射信号明显减弱。
02创新点
针对常规真三轴力学试验系统不可视的问题，本文利用具有可视窗口的煤岩真三轴力学试验系统，采用DIC和AE分析相结合的方法，对含预制钻孔煤体开展了真三轴力学加载试验，直接监测获得了试样破坏过程的表面图像，分析了含预制钻孔煤体承载破坏过程的应变场与声发射响应规律，进而阐明了钻孔区域煤体的动态破坏特性。
取得的主要成果如下：
（1）单轴压缩条件下，含预制钻孔煤体主要呈现贯通的剪切裂纹形态，而真三轴条件下含预制钻孔煤体的裂纹形态更为复杂。孔壁出现“Ｖ”形破坏区，沿最大主应力方向的紧邻钻孔区域呈现拱形裂纹区，拱形裂纹区面积和裂纹数量基本随孔径增大而增大/加。
（2）根据声发射累计事件数和能量变化，试样破坏过程可分为：裂纹萌生、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展和裂纹贯通等４个阶段。声发射信号在裂纹萌生阶段开始活跃，在裂纹稳定扩展阶段持续活跃，在裂纹非稳定扩展阶段急剧增加并达到能量峰值，在裂纹贯通阶段明显减弱。试样破坏过程中声发射峰值能量随孔径增大而增大。
（3）应变场演化过程与实际拱形裂纹及塌陷区形成过程良好对应。裂纹萌生阶段，孔周煤体逐渐出现应变集中，孔壁发生掉渣、破裂现象；裂纹稳定扩展阶段，孔壁煤体剥落现象逐渐严重，使孔壁两侧对称出现“Ｖ”形破坏区，而“Ｖ”形破坏区底部则出现了沿最大主应力方向扩展和延伸的竖向裂纹；裂纹非稳定扩展阶段，孔周煤体应变集中区域逐步发展为蝴蝶形态，钻孔上方煤体开始向钻孔空间移动形成塌陷 区，竖向裂纹则沿最大主应力方向快速扩展并向水平方向偏转；裂纹贯通阶段，竖向与水平方向裂纹交汇形成拱形裂纹，而拱形裂纹所包裹的煤体则被分割为独立块体。
03部分图表
单轴压缩下试样破坏形态
真三轴应力条件下试样破坏形态
声发射累计事件数、能量和应力随时间变化曲线
25mm试样各阶段声发射RA-AF分布
应变集中区识别及面积计算方法
第一作者介绍
马衍坤
安徽理工大学，教授。现任安全科学与工程学院副院长、煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室副主任，安徽省青年拔尖人才。主持国家自然科学基金2项，参与国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（部门推荐）“深地工程多场耦合动力灾变试验仪”（主要参与者），主持或参与其它国家及省部级各类科研项目20余项。
研究方向:
含瓦斯煤岩动力灾害机理与防控预警。
主要成果：
始终坚持围绕“含煤岩动力灾害机理与防控”卡脖子难题，坚持关键核心技术创新攻关，在煤岩体高效致裂方面取得了一定的成果，尤其是煤岩体水力压裂及“水力-爆破”耦合致裂技术，并在企业得到转化，荣获省部级科技进步奖2项，授权国家发明专利15项，出版专著1部，发表学术论文40余篇。
本文引用格式：
马衍坤, 李笑笑, 翟少彬, 等. 含预制钻孔煤体承载破坏应变场与声发射响应真三轴试验[J].中国矿业大学学报, 2024, 53(3): 497-508.
MA Yankun, Ll Xiaoxiao, ZHAl Shaobin, et al. The true triaxial test of strain field and acoustic emission response of bearing failure of coal with prefabricated borehole[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2024, 53(3): 497-508.
